基于PLC的六层电梯系统设计

电气及自动化课程设计报告题 目： 基于 PLC 的六层电梯系统设计 课 程： PLC 原理与应用 学生姓名： 学生学号： 年 级： 14 级 专 业： 自动化 班 级： 2 班 指导教师： 机械与电气工程学院制2017 年 6 月目 录1 课程设计的任务及要求 .11.1 课程设计的任务 .11.2 课程设计的要求 .12 设计的内容及主要功能 .12.1 设计内容 .12.2 主要功能 .13 PLC 概述 .23.1 PLC 的定义 .23.2 PLC 的基本结构 .23.3 PLC 工作原理 .43.4 PLC 编程语言 .44 电梯简介 .54.1 电梯结构 .54.2 电梯控制要求 .75 系统硬件选取 .85.1 PLC 的选取 .85.2 系统 I/O 分配表 .96 系统软件设计及仿真 .116.1 初始化 .116.2 内外呼信号的记忆与消除 .116.3 平层信号 .126.4 电梯上下行信号 .136.5 自动及手动开关门信号 .146.6 加减速信号 .156.7 程序仿真 .177 设计总结 .20参考文献 .21淮南师范学院机械与电气工程学院 2014 级自动化专业电气及自动化课程设计报告0基于 PLC 的六层电梯系统设计机械与电气工程学院 自动化专业1 课程设计的任务及要求1.1 课程设计的任务使用西门子 S7-200PLC 编写程序实现六层电梯系统的设计并使用仿真软件进行其功能的实现。1.2 课程设计的要求（1）编程实现按下呼梯按钮时按钮指示灯亮；（2）编程实现电梯自动平层，加减速；（3）编程实现电梯到层后自动开门与自动关门；（4）运行过程中监控电梯所在楼层并显示在数码管上。2 设计的内容及主要功能2.1 设计内容目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器取代微机实现信号控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。PLC 可靠性高，程序设计方便灵活。本设计在用 PLC 控制电梯进行上下行，开关门等动作。2.2 主要功能（1）行车途中如遇呼梯信号时，顺向截车，反向不截车；（2）内选信号、呼梯信号具有记忆功能，执行后解除；（3）内选信号、呼梯信号、行车方向、行车楼层位置均有信号灯指示；（4）停层时可延时 3s 自动开门、手动开门、(关门过程中 )本层顺向呼梯开门；（5）有内选信号时延时自动关门，关门后延时自动行车；（6）停层进人超重时进行报警不关门，行车过程超重不响应外呼信号；淮南师范学院机械与电气工程学院 2014 级自动化专业电气及自动化课程设计报告1（7）集选控制，将所有呼梯信号集中进行分析比较选取最优路线行车。3 PLC 概述3.1 PLC 的定义20 世纪 70 年代末至 80 年代初期，微处理器日趋成熟，使 PLC 的处理速度大大提高，增加了许多功能。在软件方面，除了保持原有的逻缉运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理、网络通信、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程 I/O 模块、各种特殊功能模块，并扩大了存储器的容量，而且还提供一定数量的数据寄存器。为此，美国电气制造协会将可编程序逻辑控制器，正式命名为编程序控制器（Programmable Controller） ，简称 PC。但由于 PC 容易和个人计算机 PC（Personal Computer ）混淆，故人们仍习惯地用 PLC 作为可编程序控制器的简称 1。由该定义可知：PLC 是一种由“事先存贮的程序 ”来确定控制功能的工控类计算机。3.2 PLC 的基本结构PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图 2.1 所示：图 3-1 PLC硬件结构1、中央处理单元（CPU） 中央处理单元（CPU）是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据：检查电源、存储器、I/O 以及警戒定淮南师范学院机械与电气工程学院 2014 级自动化专业电气及自动化课程设计报告2时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误，当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高 PLC 的可靠性，灵活性，近年来对大型PLC 还采用双 CPU 构成冗余系统，或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即使某个 CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行2。2、存储器（Memory ） 可编程控制器的控制中枢，在系统监控下工作，承担着将外部输入的信号的状态写入映像寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域。CPU 常用的微处理器有通用型微处理器，单片机和位片式计算机等。小型 PLC 的 CPU 多采用单片机或专用的 CPU。大型 PLC 的 CPU 多用位片式结构，具有高速数据处理能力。 3、基本 I/O 接口电路 （1）输入接口单元。PLC 内部输入电路作用是将 PLC 外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的、符合 PLC 输入电路要求的电压信号，通过光耦电路送至PLC 内部电路。输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在 0.115ms 之间。多数 PLC 的输入接口单元都相同，通常有两种类型。一种是直流输入，一种是交流输入。 （2）输出接口单元。PLC 输出电路用来将 CPU 运算的结果变换成一定形式的功率输出，驱动被控负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等） 。PLC 输出电路结构形式分为继电器式、晶闸管式和晶体管输出型等三种。 4、接口电路 PLC 接口电路分为 I/O 扩展接口电路和外设通信接口电路两类 （1）I/O 扩接口电路 I/O 扩展接口电路用连接 I/O 扩展单元，可以用来扩充开关量 I/O 点数和增加模拟量的 I/O 端子。I/O 扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形式。 （2）外设通信接口电路 淮南师范学院机械与电气工程学院 2014 级自动化专业电气及自动化课程设计报告3通信接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能组成PLC 的控制网络。 PLC 通过 PC/PPI 电缆或使用 MPI 卡通过 RS-485 接口和电缆与计算机连接，可以实现编程、监控、联网等功能 3。 3.3 PLC 工作原理PLC 是采用“ 顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在 PLC 运行时，CPU 根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC 的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段 4。图 3-2 PLC工作原理图3.4 PLC 编程语言梯形图编程语言的特点是：与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握 5。梯形图编程语言与原有的继电器控制的不同点是，梯形图中的能流不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，应用时，需要与原有继电器控制的概念区别对待 6。淮南师范学院机械与电气工程学院 2014 级自动化专业电气及自动化课程设计报告4图 3-3 西门子 S7-200梯形图语言4 电梯简介4.1 电梯结构电梯是机、电一体化产品。用电气其机械部分好比是人的躯体，电气部分相当于人的神经，控制部分相当于人的大脑。各部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳曳引式结构，其机械部分由曳引系统，轿厢和门系统，平衡系统，导向系统以及机械安全保护装置组成。而电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成。电梯基本结构如图 4-1 所示。（1）曳引系统 电梯曳引系统的功能是输出动力和传递动力，驱动电梯运行。主要由曳引机，曳引钢丝绳，导向轮和反绳轮组成。曳引机为电梯的运行提供动力，由电动机，曳引轮，连轴器，减速箱，和电磁制动器组成。曳引钢丝的两端分别连着轿厢和对重，依靠钢丝绳和曳引轮之间的摩擦来驱动轿厢升降。导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，采用复绕型还可以增加曳引力。淮南师范学院机械与电气工程学院 2014 级自动化专业电气及自动化课程设计报告5654321轿 厢轿 厢引 导 轮曳 引 电 动 机轿 厢 关 门 到 位轿 厢 门 驱 动 电 机轿 厢 开 门 到 位上 端 站 第 二 限 位上 端 站 第 一 限 位下 端 站 第 一 限 位下 端 站 第 二 限 位上 平 层 传 感 器下 平 层 传 感 器基 站图 4-1 电梯结构2）导向系统 导向系统由导轨，导靴和导轨架组成。它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使得轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动。（3）门系统 门系统有轿厢门，层门，开门，连动机构等组成。轿厢门设在轿厢入口，由门扇，门导轨架，等组成，层门设在层站入口处。开门机设在轿厢上，是轿厢和层门的动力源。 （4）轿厢 轿厢是运送乘客或者货物的电梯组件。它是有轿厢架和轿厢体组成的。轿厢架是轿厢体的承重机构，由横梁，立柱，底梁，和斜拉杆等组成。轿厢体由厢底，轿厢壁，轿厢顶以及照明通风装置，轿厢装饰件和轿厢内操纵按钮板等组成。轿厢体空间的大小由额定载重量和额定客人数决定 （5）重量平衡系统 淮南师范学院机械与电气工程学院 2014 级自动化专业电气及自动化课程设计报告6重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。对重由对重架和对重块组成。对重将平衡轿厢自重和部分额定载重。重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯的平衡设计影响的装置。 （6）电力拖动系统 电力拖动系统由曳引电机，供电系统，速度反馈装置，调速装置等组成，的作用是对电梯进行速度控制。曳引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电机或者直流电机。供电系统是为电机提供电源的装置。速度反馈系统是为调速系统提供电梯运行速度信号。一般采用测速发电机或速度脉冲发生器与电机相连。调速装置对曳引电机进行速度控制。 （7）安全保护系统 安全保护系统包括机械的和电气的各种保护系统，可保护电梯安全的使用。机械方面的有：限速器和安全钳起超速保护作用，缓冲器起冲顶和撞底保护作用，还有切断总电源的极限保护装置。电气方面的安全保护在电梯各个运行环节中都有体现 7。4.2 电梯控制要求根据不同楼层客户需求及时响应，实现自动平层、开关门、超重提示、实现上下限位，层门联锁保护等，并根据不同的需求实现合理的响应。具体地，应具备如下功能：（1）电梯初始化比赛开始时，电梯模型会给出自动运行信号，示意比赛开始，控制程序需要在收到该信号后，进行必要的初始化工作，完成后使电梯位于基站（即一层）待命，并返回准备就绪信号以确认。（2）集选控制集选控制是指在信号控制的基础上把召唤信号集合起来进行有选择的应答。电梯在运行过程中可以应答同一方向所有层站呼梯信号和轿厢内的选层指令信号，并自动在这些信号指定的层站平层停靠。（3）开关门控制电梯门会根据当前电梯的状态、轿厢门的状态、呼梯信号、选层信号及光幕信淮南师范学院机械与电气工程学院 2014 级自动化专业电气及自动化课程设计报告7号状态等，合理的进行相应的响应。当门未全关时，如有光幕信号，须优先响应，保持电梯门打开；当电梯平层开门后，延时关闭，此时间可修改。（4）启停控制根据电梯主电路，完成按时间原则的启动、停止过程。当电梯平层时，需要依时间原则依次触发三级制动减速，待平层后，切断上行、下行接触器，抱闸停车。（5）运行控制在运行过程中，需要始终对当前运行方向、当前楼层（采用七段数码管显示）进行实时监控与显示。5 系统硬件选取5.1 PLC 的选取根据电梯设计的输入输出接点要求，选取图 5-1 中的西门子 S7-200 CPU226 PLC，同时为了扩充输入输出接口，还需要 EM223 扩展模块。表 5-2-1 S7-200系列选型表规格/描述 CPUDC/DC/DC；6 点输入/4 点输出AC/DC/继电器；6 点输入/4 点输出CPU22